CN218157676U

CN218157676U - 氢气传感器、检测装置及检测系统

Info

Publication number: CN218157676U
Application number: CN202222534546.8U
Authority: CN
Inventors: 黄春明
Original assignee: Shenzhen Radium Niobium And Erbium Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Radium Niobium And Erbium Technology Co ltd
Priority date: 2022-09-22
Filing date: 2022-09-22
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2032-09-22

Abstract

本实用新型实施例提供一种氢气传感器、检测装置及检测系统，用以解决现有技术中的半导体型氢气传感器的氢敏材料层表面积低、响应和恢复时间长，灵敏度不高的缺陷。该氢气传感器包括具有向上开口的U型槽的衬底，贴附在衬底上表面的绝缘层，相对设置在U型槽两侧的绝缘层上的第一电极和第二电极，通过两端分别电连接第一电极、第二电极的氢敏纳米线。本实用新型通过在氢气传感器的衬底上开设用于聚集容纳待检测气体的U型槽，在U型槽上方设置材料颗粒粒径小、颗粒的比表面积很大的氢敏纳米线作为传感单元，该氢敏纳米线能够在纳秒或毫秒级别时间内实现电阻率大量级地变化，进而即使环境中氢气分子浓度较低，也能实现快速、高灵敏度检测。

Description

氢气传感器、检测装置及检测系统

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种氢气传感器、检测装置及检测系统。

背景技术

氢气，具有较强的还原性，在工业生产中常作为还原剂参与化学反应，其被广泛用于石油化工、有机合成、食品工业、微电子工业、冶金工业、硅酸盐工业，是重要的化工原料。氢气，分子量很小，能够以一定的流速载带气体，其在气相色谱法中经常被用于载带样品气体一起进入色谱柱进行分离，再将被分离后的各组分载入检测器进行检测。氢气是所有的化石燃料，化工燃料和生物燃料中发热值最高的，其发热值是汽油的3倍。氢气与空气混合时具有广泛的可燃范围，点燃快，燃烧速度快，燃点高，燃烧性好，燃烧后的产物是水，清洁环保、可循环利用。基于氢气的氢能具有上述诸多优点，氢能已被广泛应用于航空航天、电力生产、运输工具。近年来，随着氢燃料电池技术，特别是氢燃料电池发动机技术获得突破，氢燃料电池及其应用的氢能汽车，已经开始投入行业应用。

然而，一方面，氢气分子量很小、无色、无味，在生产、储存、运输和使用的过程中容易泄漏且不易察觉；另一方面，氢气是易燃易爆的危险气体，当环境空气中的氢气体积含量处在4.0％-75.6％时，遇到火源将会产生爆炸，造成很大的人身财产安全。为了解决该技术问题，本领域的研究人员通过氢气传感器技术检测环境空气中的氢气浓度以判断是否存在氢气泄漏的现象存在。

根据所基于的技术原理，现有的氢气传感器可分为半导体型氢气传感器、热电型氢气传感器、光纤氢气传感器、钯合金薄膜氢气传感器。其中，传统的半导体型氢气传感器，具有性能稳定，造价低廉、寿命长、易于集成等优点，但存在其所采用的ZnO、WO₃、SnO₂等氧化物陶瓷或薄膜的氢敏材料层，表面积低、响应和恢复时间长，灵敏度不够高，工作温度高，器件功耗大等缺点；钯合金薄膜氢气传感器具有不受其他气体干扰，0～100％全量程等优点，是比较理想的氢气传感器。

然而，发明人在实现本实用新型实施例中的技术方案的过程中发现，现有的氢气传感器至少存在如下技术问题：

现有的钯合金薄膜氢气传感器，制造成本高，且在氢气环境下使用过程中，易发生氢脆效应，导致钯合金薄膜层结构失效，严重影响到钯合金薄膜氢气传感器的使用寿命。现有的半导体型氢气传感器的氢敏材料层表面积低、响应和恢复时间长，灵敏度不高。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例的目的在于提供一种氢气传感器、检测装置及检测系统，用以解决现有技术中的半导体型氢气传感器的氢敏材料层表面积低、响应和恢复时间长，灵敏度不高的缺陷。本实用新型实施例通过在氢气传感器的衬底上开设用于聚集容纳待检测气体的U型槽，在U型槽上方设置材料颗粒粒径小、颗粒的比表面积很大的氢敏纳米线作为传感单元，氢敏纳米线的颗粒的比表面积很大，可有效增加氢气分子接触响应的表面积，氢敏纳米线的料粒径小，可有效缩短氢气分子接触响应的时间，在氢气传感器工作时，氢敏纳米线能够在纳秒或毫秒级别时间内实现电阻率大量级地变化，进而即使环境中氢气分子浓度较低，也能实现快速、高灵敏度检测。

为了实现上述目的，本实用新型实施例中采用的技术方案如下：

第一方面，本实用新型实施例中提供一种氢气传感器，包括：

衬底，所述衬底上开设有向上开口的U型槽；

绝缘层，所述绝缘层贴附在所述衬底的上表面；所述U型槽两侧的所述绝缘层上相对设置有第一电极和第二电极；

氢敏纳米线，所述氢敏纳米线的一端固定连接且电连接所述第一电极，另一端固定连接且电连接所述第二电极，以使所述氢敏纳米线悬空设置在所述U型槽上方；所述氢敏纳米线的数量为n条，其中，n为大于或者等于1的正整数。

可能的实施方式中，所述氢敏纳米线为二氧化钒纳米线。

可能的实施方式中，所述二氧化钒纳米线为钼掺杂二氧化钒纳米线、钨掺杂二氧化钒纳米线中的一种。

可能的实施方式中，所述二氧化钒纳米线的直径为50～300纳米。

可能的实施方式中，所述氢敏纳米线的数量为1条。

可能的实施方式中，所述U型槽为通槽。

可能的实施方式中，所述第一电极和所述第二电极通过光刻工艺和真空蒸镀工艺设置在所述U型槽两侧的所述绝缘层上。

可能的实施方式中，所述第一电极和所述第二电极为Ti/Au双膜层或In单膜层。

第二方面，本实用新型实施例中提供一种氢气检测装置，所述氢气检测装置包括前述氢气传感器。

第三方面，本实用新型实施例中提供一种氢气检测系统，所述氢气检测系统包括前述氢气检测装置。

基于上述技术方案，本实用新型实施例中的氢气传感器、检测装置及检测系统，通过在氢气传感器的衬底上开设用于聚集容纳待检测气体的U型槽，以使氢气传感器内的待检测气体氛围同环境中的气体氛围保持一致，从而确保检测结果的有效性；通过在U型槽上方设置材料颗粒粒径小、比表面积很大的氢敏纳米线作为传感单元，以使传感单元被浸没包覆在待检测气体中，从而确保待检测气体中的氢气分子能够被吸附在氢敏纳米线的表面；再一方面，氢敏纳米线的材料颗粒粒径小，比表面积很大，能够有效增加氢气分子接触响应的表面积，缩短氢气分子接触响应的时间，以致在氢气传感器工作时，氢敏纳米线能够在纳秒或毫秒级别时间内实现电阻率的大量级的变化，进而即使环境中氢气分子浓度较低，也能实现快速、高灵敏度检测。另外，相较于传统的半导体型氢气传感器的氢敏传感单元，氢敏纳米线具有纳米器件结构简单、功耗小、工作温度低的特点。如此，以氢敏纳米线为传感单元的本实用新型实施例中的氢气传感器，能够在低工作温度下低功耗实现环境中氢气分子浓度的宽范围，快速、高灵敏度检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例中的U型槽为通槽的氢气传感器的示意性结构图；

图2示出了本实用新型实施例中的U型槽为通槽且氢敏纳米线为一根的氢气传感器的示意性结构图；

图3示出了本实用新型实施例中的U型槽为盲槽的氢气传感器的示意性结构图；

图4示出了本实用新型实施例中的U型槽为盲槽且氢敏纳米线为一根的氢气传感器的示意性结构图；

图5示出了本实用新型实施例中的氢气检测装置的示意性结构图；

图6示出了本实用新型实施例中的氢气检测系统的示意性结构图。

其中，图中的附图标记与部件名称之间的对应关系如下：

氢气检测系统1，氢气检测装置10，氢气传感器100，衬底110，U型槽120，绝缘层130，第一电极140，第二电极150，氢敏纳米线160，电极引线170，测量电路200。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实际应用，参照本实用新型实施例附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面将结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案进行说明。

图1示出了本实用新型实施例中的U型槽为通槽的氢气传感器的示意性结构图。

图3示出了本实用新型实施例中的U型槽为盲槽的氢气传感器的示意性结构图。

现参照图1、图3所示，本实用新型实施例中的氢气传感器，包括：

衬底110，所述衬底110上开设有向上开口的U型槽120；

绝缘层130，所述绝缘层130贴附在所述衬底110的上表面；所述U型槽120两侧的所述绝缘层130上相对设置有第一电极140和第二电极150；

氢敏纳米线160，所述氢敏纳米线160的一端固定连接且电连接所述第一电极140，另一端固定连接且电连接所述第二电极150，以使所述氢敏纳米线160悬空设置在所述U型槽120上方；所述氢敏纳米线160的数量为n条，其中，n为大于或者等于1的正整数。

本实用新型实施例中，所述衬底110的材料为常用的制作传感器衬底的材料，其可以是半导体材料，例如硅材料，也可以是绝缘材料，例如陶瓷、玻璃。

本实用新型实施例中，所述绝缘层130为膜层结构，所述绝缘层130的材料为半导体行业常用的绝缘材料，例如陶瓷材料、玻璃材料、SiO₂、TiO₂、聚酰亚胺材料。所述绝缘层130贴附在所述衬底110的上表面的实施方式为半导体技术领域常用的实施方式，例如化学气相沉积工艺。

若所述衬底110的材料与所述绝缘层130的材料为同一种材料，所述绝缘层130与所述衬底110一体成型，也就是说，所述衬底110具有绝缘作用，可以不需采用额外的工艺制作所述绝缘层130。

本实用新型实施例中，所述U型槽120可以是封闭端具有弧度的U型槽，也可以是封闭端不具有弧度的U型槽，另外所述U型槽120的具体尺寸视氢气传感器的设计尺寸而定，在本实用新型实施例中不对所述U型槽120的形状和尺寸做任何限定。

本实用新型实施例中，所述U型槽120用于形成与外界环境相连通的待检测气体的聚集容纳腔室，所述U型槽120的槽口宽度W，是所述氢敏纳米线160的悬空区段的长度。本实用新型实施例中的氢气传感器投入使用时，悬空区段的所述氢敏纳米线160被待检测气体浸没包覆。所述U型槽120的尺寸具体可以是，槽口宽度W不大于20微米，长度为0.2～2毫米，高度为所述衬底110的厚度与所述绝缘层130的厚度之和。

本实用新型实施例中，所述U型槽120通常开设在所述衬底110的中间部位，当然开设位置也可以偏离中间部位，本实用新型实施例中不对所述U型槽120的开设位置做任何限定。

本实用新型实施例中，所述U型槽120的结构，具体可以是盲槽结构，也可以是通槽结构，本实用新型实施例中不对所述U型槽120的结构做任何限定。为了提高所述U型槽120与外界环境的连通性，以利于外界环境中的气体进入所述U型槽120构成的腔室中，可能的实施方式中，所述U型槽120为通槽。

本实用新型实施例中，所述氢敏纳米线160的制备材料为电阻类氢敏元件的制备材料，例如ZnO、WO₃、SnO₂、VO₂，由此制成的电阻类氢敏元件，在与氢气分子产生接触后，其电阻率会发生变化，从而指示氢气分子的存在。同时可通过测量电信号的变化，得出环境中氢气分子的浓度。相较于传统的半导体型氢气传感器所采用的表面积较低的ZnO、WO₃、SnO₂等氧化物陶瓷或薄膜的氢敏材料层，本实用新型实施例中的所述氢敏纳米线160的表面积很大，在相同时间内，其表面能够吸附更多的氢气分子，电阻率发生变化的程度要大很多，进而即使待检测气体中的氢气分子浓度较低，也能实现环境中氢气浓度的快速、高灵敏度检测。

本实用新型实施例中，所述氢敏纳米线160由电阻类氢敏元件的制备材料经过氧化物前驱体制作工艺及化学气相沉积工艺后制备得到。

其中，二氧化钒(VO₂)，是一种导电特性优异的金属氧化物，其被广泛应用于电子器件制造；更重要的使二氧化钒(VO₂)还是一种具有可逆相变性质的金属氧化物，其相变温度为68℃，相变前后的结构变化会导致其电阻率在纳秒级别时间变化四到五个量级。

可能的实施方式中，所述氢敏纳米线160为二氧化钒纳米线。

当二氧化钒纳米线表面吸附一定量的氢气分子后，会产生物理和化学反应，进而诱导二氧化钒在纳秒级时间内产生可逆相变，相变造成二氧化钒纳米线的晶体结构由半导体结构转换成金属结构，相应地，二氧化钒纳米线的电阻率由半导体结构的10^-4量级转变成金属结构的10^-8量级。二氧化钒纳米线的电阻率变化大小与可逆相变的相变程度有关。待检测气体中的氢气分子浓度越高，在预定时间内二氧化钒纳米线表面吸附的氢气分子较多，可逆相变的相变程度越大，相变时间越短，电阻率变化越大；待检测气体中的氢气分子浓度较低时，可逆相变的相变程度相对较小，相变时间稍微长一点，电阻率变化稍微小一些。也即，由于可逆相变的发生，会使二氧化钒纳米线的电阻率在在纳秒或毫秒级别时间内变化四到五个量级，进而即使待检测气体中的氢气分子浓度较低，也能实现环境中氢气浓度的快速、高灵敏度检测。

本实用新型实施例中，所述二氧化钒纳米线是以钒的氧化物为前驱体，通过化学气相沉积法制备得到。可能的实施方式中，所述二氧化钒纳米线的直径为50～300纳米。50～300纳米的所述二氧化钒纳米线既满足氢气分子检测的需要，也利于二氧化钒纳米线的制备。所述二氧化钒纳米线的长度应当大于所述U型槽的槽口宽度，例如20微米。

本实用新型实施例中，在所述二氧化钒纳米线制备过程中，为了使制成的本实用新型实施例中的所述二氧化钒纳米线具有更好的相变特性，可在钒的氧化物前驱体中掺杂金属盐，以制成金属掺杂二氧化钒纳米线，例如在钒的氧化物前驱体中掺杂钼盐以制成钼掺杂二氧化钒纳米线，在钒的氧化物前驱体中掺杂钨盐以制成钨掺杂二氧化钒纳米线。也就是说，本实用新型实施例可能的实施方式中，所述二氧化钒纳米线为钼掺杂二氧化钒纳米线、钨掺杂二氧化钒纳米线中的一种。相较于无掺杂的二氧化钒纳米线，钼掺杂二氧化钒纳米线、钨掺杂二氧化钒纳米线诱导相变发生的氢气分子的数量更少，相变后形成的金属结构的电阻率更小，进而可实现更低氢气含量的环境监测。

本实用新型实施例中，所述氢敏纳米线160的数量为n条，其中，n为大于或者等于1的正整数。如果n为大于或者等于2的正整数，n条所述氢敏纳米线160通过所述第一电极140和所述第二电极150形成并联关系。

由此可见，本实用新型实施例中的所述氢敏纳米线160能够在纳秒或毫秒时间级别将其电阻率变化四到五个量级，进而即使环境中氢气分子浓度较低，也能实现快速、高灵敏度检测。

本实用新型实施例中，所述第一电极140和所述第二电极150为半导体器件领域常用的薄膜电极。可能的实施方式中，所述第一电极140和所述第二电极150通过光刻工艺和真空蒸镀工艺设置在所述U型槽120两侧的所述绝缘层130上。

可能的实施方式中，所述第一电极140和所述第二电极150为Ti/Au双膜层或In单膜层。

具体的，将n条所述氢敏纳米线160的两端分别搭设在所述绝缘层130的所述第一电极设置区和所述第二电极设置区，然后在其上涂覆光刻胶，再基于光刻工艺和真空蒸镀工艺制备图形化的薄膜电极，以得到所述第一电极140和所述第二电极150，并实现所述第一电极140、所述第二电极150与n条所述氢敏纳米线160的固定连接且电连接。所述第一电极140和所述第二电极150的膜层通常控制在160～400纳米，若所述第一电极140和所述第二电极150为Ti/Au双膜层结构，那么Ti膜层的厚度具体可以是10～80纳米，Au膜层的厚度具体可以是150～300纳米；若所述第一电极140和所述第二电极150为In单膜层，In膜层的厚度具体可以是160～400纳米。

本实用新型实施例中的氢气传感器还可以包括电极引线170，可通过引线键合工艺在所述第一电极140上电连接所述电极引线170，在所述第二电极150上电连接所述电极引线170。

图2示出了本实用新型实施例中的U型槽为通槽且氢敏纳米线为一根的氢气传感器的示意性结构图。

图4示出了本实用新型实施例中的U型槽为盲槽且氢敏纳米线为一根的氢气传感器的示意性结构图。

现参照图2、图4所示，对于绝大多数氢气传感器的应用场景而言，由于基于所述氢敏纳米线160的本实用新型实施例中的氢气传感器能够在低工作温度下低功耗实现环境中氢气分子浓度的宽范围，快速、高灵敏度检测，为了降低本实用新型实施例中的氢气传感器的制作的工艺难度及降低制造成本，可能的实施方式中，所述氢敏纳米线160的数量为1条。

图5示出了本实用新型实施例中的氢气检测装置的示意性结构图。

现参照图5所示，本实用新型实施例中的氢气检测装置10，包括本实用新型实施例中的氢气传感器100，与所述氢气传感器100电连接的测量电路200。

现参照图5所示，本实用新型实施例中的氢气检测系统1，包括本实用新型实施例中的氢气检测装置10，所述氢气检测装置10具体可以同上位机通信连接构建氢气检测系统1，也可以将本实用新型实施例中的氢气检测装置10集成在现有的氢气检测系统中。

应理解，本实用新型实施例中的氢气检测装置及氢气检测系统，是包含本实用新型实施例中的氢气传感器的装置及系统。为描述的方便和简洁，有关本实用新型实施例中的氢气检测装置及氢气检测系统的说明，可参照本实用新型实施例中的氢气传感器的相关说明，在此不再赘述。

Claims

1.氢气传感器，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底上开设有向上开口的U型槽；

2.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述氢敏纳米线为二氧化钒纳米线。

3.根据权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于，所述二氧化钒纳米线为钼掺杂二氧化钒纳米线、钨掺杂二氧化钒纳米线中的一种。

4.根据权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于，所述二氧化钒纳米线的直径为50～300纳米。

5.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述氢敏纳米线的数量为1条。

6.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述U型槽为通槽。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的氢气传感器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极通过光刻工艺和真空蒸镀工艺设置在所述U型槽两侧的所述绝缘层上。

8.根据权利要求7所述的氢气传感器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极为Ti/Au双膜层或In单膜层。

9.氢气检测装置，其特征在于，所述氢气检测装置包括权利要求1-8任一项所述的氢气传感器。

10.氢气检测系统，其特征在于，所述氢气检测系统包括权利要求9所述的氢气检测装置。